微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用：第5章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第5章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器一、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器性能指標(biāo)及其分類二、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM（1） 靜態(tài)存儲(chǔ)器（2） 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器三、只讀存儲(chǔ)器 ROM四、 存儲(chǔ)器連接與擴(kuò)展5.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)記憶功能的核心部件。用于存放待加工的原始數(shù)據(jù)和中間計(jì)算結(jié)果以及系統(tǒng)用戶程序等。內(nèi)存存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：快，容量小，隨機(jī)存取，CPU可直接訪問。通常由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成RAM、ROM外存存放非當(dāng)前使用的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：慢，容量大，順序存取/塊存取。需調(diào)入內(nèi)存后CPU才能訪問。通常由磁、光存儲(chǔ)器構(gòu)成，也可以由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成磁盤、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、固態(tài)盤兩大類內(nèi)存、外存5.1半

2、導(dǎo)體存儲(chǔ)器概述微機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)有三個(gè)基本參數(shù)：容量、速度、成本容量：以字節(jié)數(shù)表示，是指一個(gè)存儲(chǔ)器芯片所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量。等于存儲(chǔ)單元數(shù)*每單元的數(shù)據(jù)位數(shù)。1024表示1K（故容量2048*8bit簡(jiǎn)稱為2K字節(jié)或16K位），以1M表示1K*1K等。速度：訪問一次存儲(chǔ)器（對(duì)指定單元寫入或讀寫）所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間的上限值定義為最大存取時(shí)間。時(shí)間越少，速度越快。成本：以每位價(jià)格表示其他指標(biāo)：可靠性，集成度5.1.2、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類RAM靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）ROM掩膜型ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）電可擦除可編程ROM（E2PROM)半導(dǎo)

3、體存儲(chǔ)器從制造工藝的角度可以分為雙極型，CMOS型，HMOS型。從應(yīng)用角度，可以分為：5.2 RAM (隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)特點(diǎn):可以讀寫, 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)必須有電源供應(yīng)才能保存, 一旦掉電, 數(shù)據(jù)全部丟失.RAM按存儲(chǔ)機(jī)理的不同可分為 靜態(tài)SRAM(Static RAM)和動(dòng)態(tài)DRAM(Dynamic RAM),5.2.1靜態(tài)SRAM(1) 存儲(chǔ)體 一個(gè)基本存儲(chǔ)電路只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位。（觸發(fā)器） 將基本的存儲(chǔ)電路有規(guī)則地組織起來，就是存儲(chǔ)體。 存儲(chǔ)體又有不同的組織形式： 將各個(gè)字的同一位組織在一個(gè)芯片中，如：8118 16K*1（DRAM） 將各個(gè)字的 4位 組織在一個(gè)芯片中， 如：2114 1K

4、*4 （SRAM） 將各個(gè)字的 8位 組織在一個(gè)芯片中， 如：6116 2K*8 （SRAM）。(2) 外圍電路 為了區(qū)別不同的存儲(chǔ)單元，就給每個(gè)單元規(guī)定一個(gè)地址號(hào)來選擇不同的存儲(chǔ)單元。 于是電路中要 地址譯碼器、I/O電路、片選控制端CS、輸出緩沖器等外圍電路。故： 存儲(chǔ)器（芯片） = 存儲(chǔ)體 + 外圍電路(P201)典型芯片HM6264BLHM6264BL是容量為8K*8的低功耗CMOS SRAM。采用單一+5V供電，輸入/輸出電平與TTL電平兼容。最大存取時(shí)間為70ns120ns。引腳及其含義： 引腳 功能 A0A12地址輸入 WE寫信號(hào)CS1，CS2片選 OE輸出允許I/O1 I/O8

5、數(shù)據(jù)線 Vcc電源 Vss地 NC未用HM6264BL的工作模式 CS1 CS2 WE OE 工作方式I/O信號(hào) 1 * * * 低功耗 高阻 * 0 * * 低功耗 高阻 0 1 1 1 輸出禁止 高阻 0 1 1 0 讀 Dout 0 1 0 * 寫 Din HM6264BL讀/寫周期時(shí)序（以讀取時(shí)間70ns的HM6264BL為例） （1）存儲(chǔ)器的讀周期 參數(shù) 符號(hào) 時(shí)間（ns） 最小 最大 讀周期時(shí)間 tRC 70 讀出時(shí)間 tAA 70 片選到輸出穩(wěn)定 tCO（tCO1tCO2 70輸出允許到輸出穩(wěn)定 tOE 35輸出禁止到數(shù)據(jù)線高阻 tOHZ 10片選無效到數(shù)據(jù)線高阻 tHz 0 3

6、0地址改變后數(shù)據(jù)保持 tOH 10HM6264BL-7讀周期主要參數(shù)(2)儲(chǔ)器寫周期 參數(shù) 符號(hào) 時(shí)間（ns) 最小 最大 寫周期時(shí)間 tWC 70 片選寬度 tCW（tCW1， tCW2) 60地址有效到寫結(jié)束 tAW 60 寫脈沖寬度 twp 40數(shù)據(jù)保持到寫有效 tDW 30HM6264BL-7寫周期主要參數(shù)5.2.2、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM特點(diǎn)：DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來存儲(chǔ)信息的，由于電容上的電荷會(huì)逐漸泄漏，需要定時(shí)充電以維持存儲(chǔ)內(nèi)容不丟失（稱為動(dòng)態(tài)刷新），所以動(dòng)態(tài)RAM需要設(shè)置刷新電路，相應(yīng)外圍電路就較為復(fù)雜。刷新定時(shí)間隔一般為幾微秒幾毫秒DRAM的特點(diǎn)是集成度高（存儲(chǔ)容

7、量大，可達(dá)1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。DRAM在微機(jī)中應(yīng)用非常廣泛，如微機(jī)中的內(nèi)存條（主存）、顯卡上的顯示存儲(chǔ)器幾乎都是用DRAM制造的。常見DRAM的種類：SDRAM（Synchronous DRAM）它在1個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)可完成數(shù)據(jù)的訪問和刷新，即可與CPU的時(shí)鐘同步工作。是1999年前微機(jī)中流行的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存類型。RDRAM（Rambus DRAM）是由Rambus公司所開發(fā)的高速DRAM。其最大數(shù)據(jù)率可達(dá)1.6GB/s。DDR DRAM（Double Data Rate DRAM）是對(duì)SDRAM的改進(jìn)，它在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都可以傳送數(shù)據(jù)。主要應(yīng)用

8、在主板和高速顯示卡上。2001年后普遍采用的內(nèi)存。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)基本存儲(chǔ)電路 用于存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位。用C上有無電荷來區(qū)分0和1。10典型DRAM芯片uPD424256uPD424256 ：256K4(內(nèi)部結(jié)構(gòu)參照書P204)采用行地址和列地址來確定一個(gè)單元；行列地址分時(shí)傳送， 共用一組地址線；地址線的數(shù)量?jī)H 為同等容量SRAM 芯片的一半。行地址10001 0 0 0列地址主要引線RAS：行地址選通信號(hào)，用于鎖存行地址；CAS：列地址選通信號(hào)。 地址總線上先送上行地址，后送上列地址，它們分別在RAS和CAS有效期間被鎖存在地址鎖存器中。 DIN： 數(shù)據(jù)輸入DOUT：數(shù)據(jù)輸出WE=0 數(shù)

9、據(jù)寫入WE=1 數(shù)據(jù)讀出WE：寫允許信號(hào)工作原理三種操作： 數(shù)據(jù)讀出（P205a） 數(shù)據(jù)寫入(P205b) 刷新:將存放于每位中的信息讀出到放大器然后再寫入原單元的過程刷新 5.3 只讀存儲(chǔ)器（ROM）掩模ROM一次性可寫ROM可讀寫ROM分 類EPROM（紫外線擦除）EEPROM（電擦除）特點(diǎn)：1、信息是非易失的； 2、編程后內(nèi)容只能讀出不能寫入5.4、存儲(chǔ)器連接與擴(kuò)展對(duì)于微機(jī)用戶來說，要通過總線把RAM，ROM芯片同CPU連接起來，并使之協(xié)調(diào)工作。必須考慮信號(hào)連接，時(shí)序配合，驅(qū)動(dòng)能力等問題。存儲(chǔ)器芯片選擇類型選擇 （1）RAM，存儲(chǔ)的信息可以在程序中用讀/寫指令隨機(jī)讀寫，但掉電時(shí)信息丟失，

10、一般用于存儲(chǔ)用戶的調(diào)試程序，中間結(jié)果及掉電時(shí)無需保護(hù)的I/O數(shù)據(jù)及參數(shù)。 （2）ROM，內(nèi)容掉電不容易丟失，但不能隨機(jī)寫入，一般用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序（監(jiān)控程序）和無需在線修改的參數(shù)等。存儲(chǔ)器芯片與CPU的時(shí)鐘配合 當(dāng)CPU進(jìn)行讀操作時(shí)，什么時(shí)候送地址信號(hào)，什么時(shí)候從數(shù)據(jù)線上讀數(shù)據(jù)，時(shí)序是固定的，而存儲(chǔ)器芯片從外部輸入地址信號(hào)有效，到把內(nèi)部數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上的時(shí)序也是固定的，并由存儲(chǔ)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造工藝決定。連接時(shí)必須注意時(shí)序的配合。5.4、存儲(chǔ)器連接與擴(kuò)展用多片存儲(chǔ)芯片構(gòu)成一個(gè)需要的內(nèi)存空間，它們?cè)谡麄€(gè)內(nèi)存中占據(jù)不同的地址范圍，任一時(shí)刻僅有一片（或一組）被選中。位擴(kuò)展擴(kuò)展每個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)字?jǐn)U

11、展擴(kuò)展存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)字位擴(kuò)展二者的綜合位擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量等于： 單元數(shù)每單元的位數(shù)當(dāng)構(gòu)成內(nèi)存的存儲(chǔ)器芯片的字長(zhǎng)小于內(nèi)存單元的字長(zhǎng)時(shí)，就要進(jìn)行位擴(kuò)展，使每個(gè)單元的字長(zhǎng)滿足要求。字節(jié)數(shù)位長(zhǎng)位擴(kuò)展方法： 將每片的地址線、控制線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線分別引出。位擴(kuò)展特點(diǎn)： 存儲(chǔ)器的單元數(shù)不變，位數(shù)增加。P (218)位擴(kuò)展例用8片2164A芯片構(gòu)成64KB存儲(chǔ)器。2164A: 64K x 1，需8片構(gòu)成64K x 8（64KB）LS138A16A192164A2164A2164ADBABD0D1D7A0A15譯碼輸出讀寫信號(hào)A0A19D0D7A0A15A0A15例： 用1k*1的片子組成1k*8的存儲(chǔ)器 需

12、 8 個(gè)芯片 地址線 （210=1024）需 10 根 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 WRA9-A0D7-D0WRWECPU系統(tǒng)字?jǐn)U展地址空間的擴(kuò)展。芯片每個(gè)單元中的字長(zhǎng)滿足，但單元數(shù)不滿足。擴(kuò)展原則：每個(gè)芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線并聯(lián)，僅片選端分別引出，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)芯片占據(jù)不同的地址范圍。例(p218)D0D7A10A0CE OED0D7A10A0CE OED0D7A10A0CE OE。 2-4譯碼器CPUD7D0A10A0A11A12 RDIO/M例：用EPROM 2716（2K*8）組成 6K*8 的存儲(chǔ)器。尋址 6K 空間需13根地址線，片內(nèi)11根，片選2根；2716為只讀存儲(chǔ)器，只有讀操作

13、，因此，用控制信號(hào)IO/M 和 RD 通過或門連到譯碼器使能端，控制其工作。EN字位擴(kuò)展根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲(chǔ)芯片數(shù)；進(jìn)行位擴(kuò)展以滿足字長(zhǎng)要求；進(jìn)行字?jǐn)U展以滿足容量要求。若已有存儲(chǔ)芯片的容量為L(zhǎng)K，要構(gòu)成容量為M N的存儲(chǔ)器，需要的芯片數(shù)為： （M / L） （N / K）例： 用 256*4 的片子組成 1k*8 的存儲(chǔ)器 需 8 個(gè)芯片 地址線 （28=256）需 10 根 （ 片內(nèi) 8 根，片選 2 根） 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 IO/ M 和 WR。A9-A0D7-D0WRCPU系統(tǒng)IO/MABCD例： 用1k*4 的片子 2114 組成 4k*8 的存儲(chǔ)器 需 8個(gè)芯片

14、地址線 （212=4096）需 12 根 （ 片內(nèi) 10 根，片選 2 根） 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 IO/ M 和 WRIO/MCPU00 00 0000 000000 11 1111 1111 01 00 0000 000001 11 1111 1111 y0y35.5 8086/8088與存儲(chǔ)器的連接存儲(chǔ)器與8088系統(tǒng)總線的連接的要點(diǎn)是：存儲(chǔ)器的地址范圍？根據(jù)要求的地址范圍可確定用哪幾根地址線進(jìn)行片選，哪幾根地址線做片內(nèi)尋址以及如何進(jìn)行片選譯碼。系統(tǒng)總線上與存儲(chǔ)器有關(guān)的信號(hào)線有哪些？熟悉與存儲(chǔ)器有關(guān)的總線信號(hào)和存儲(chǔ)芯片引腳的功能。譯碼電路的構(gòu)成（譯碼器的連接方法）系統(tǒng)地址空間一般比存儲(chǔ)

15、芯片的容量大（即總線中的地址線數(shù)多于存儲(chǔ)芯片的地址線數(shù)），物理內(nèi)存實(shí)際只占用系統(tǒng)地址空間的一小塊區(qū)域。把物理內(nèi)存分配到系統(tǒng)地址空間的哪一塊區(qū)域，取決于如何進(jìn)行地址譯碼。8088系統(tǒng)中存儲(chǔ)器連接涉及到的總線信號(hào)包括：地址線A19-A0數(shù)據(jù)線D7-D0存儲(chǔ)器讀信號(hào)MEMR#存儲(chǔ)器寫信號(hào)MEMW#需要考慮的存儲(chǔ)芯片引腳地址線An-1-A0：接地址總線的An-1-A0數(shù)據(jù)線D7-D0：接數(shù)據(jù)總線的D7-D0片選信號(hào)CS#(CE#) (可能有多根)：接地址譯碼器的片選輸出輸出允許OE#(有時(shí)也稱為讀出允許) ：接MEMR#寫入允許WE#：接MEMW#譯碼電路將輸入的一組二進(jìn)制編碼變換為一個(gè)特定的控制信號(hào)

16、，即： 將輸入的一組高位地址信號(hào)通過變換，產(chǎn)生一個(gè)有效的控制信號(hào)，用于選中某一個(gè)存儲(chǔ)器芯片，從而確定該存儲(chǔ)器芯片在內(nèi)存中的地址范圍。常用的有三種：1、全譯碼2、部分譯碼3、線選法全地址譯碼用全部的高位地址信號(hào)作為譯碼信號(hào)，使得存儲(chǔ)器芯片的每一個(gè)單元都占據(jù)一個(gè)唯一的內(nèi)存地址。存儲(chǔ)器芯片譯碼器低位地址高位地址全部地址片選信號(hào)部分地址譯碼用部分高位地址信號(hào)（而不是全部）作為譯碼信號(hào)，使得被選中得存儲(chǔ)器芯片占有幾組不同的地址范圍。下例使用高5位地址作為譯碼信號(hào)，從而使被選中芯片的每個(gè)單元都占有兩個(gè)地址，即這兩個(gè)地址都指向同一個(gè)單元。部分地址譯碼例同一物理存儲(chǔ)器占用兩組地址： F0000HF1FFFH

17、B0000HB1FFFH A18不參與譯碼A19A17A16A15A14A13&1到6264CS1線選法高位地址線不經(jīng)過譯碼，直接接各存儲(chǔ)器芯片的片選來區(qū)別各芯片的地址。線選會(huì)存在地址重疊和各芯片間地址不連續(xù)例： 用1k*4 的片子 2114 組成 2k*8 的存儲(chǔ)器 需 4 個(gè)芯片 地址線 （211=2048）需 11 根 （ 片內(nèi) 10 根，片選 1 根） 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 IO/ M 和 WRCPU全譯碼方式兩組存儲(chǔ)器的地址分配： 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0

18、0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 1 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0400 h 0 0 0 0, 0 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 07FF h 這種選片的譯碼方式稱為全譯碼，譯出的每一組地址是確定的、唯一的。 也可采用線選控制方式：只用A15-A10中的任意位來控制片選端。 如用A10，而 A15-A11可為任意值； 也可用A11，而A15-A12，A10 可為任意值；等不同組合。 A10A11-A15線選譯碼方式線選譯碼方式有兩個(gè)問題應(yīng)考慮：

19、 用不同的地址線作為采選片控制，則它們的地址分配是不同的。 如： 用A11做線選 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0 0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 1 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0800 h 0 0 0 0, 1 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 0BFF h 如： 用A15做線選 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0 0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 1 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 8000 h 1 0 0 0, 0 0 1 1, 1